Obrázek 1: Hořák spalující zemní plyn versus vodík (zleva doprava): 100% zemní plyn, 40% zemní plyn / 60% H2, 20% zemní plyn / 80% H2, 100% H2. Obrázek byl publikován se svolením společnosti Honeywell Thermal Solutions Obrázek 1: Hořák spalující zemní plyn versus vodík (zleva doprava): 100% zemní plyn, 40% zemní plyn / 60% H2, 20% zemní plyn / 80% H2, 100% H2. Obrázek byl publikován se svolením společnosti Honeywell Thermal Solutions

Vodík by mohl nabídnout zelenější budoucnost pro nás všechny, ale využití jeho plného potenciálu vyžaduje určitou míru technického porozumění.

Nejhojnější prvek ve vesmíru, vodík, nabízí naši dosud nejlepší šanci v boji proti globálním změnám klimatu. Je to proto, že při jeho výrobě pomocí obnovitelných zdrojů energie, jako je vítr nebo sluneční záření, se během spalování vodíku neuvolňuje žádný oxid uhličitý, což zvyšuje jeho potenciál, aby hrál ústřední roli v sítích čisté energie nové generace.

Je stále naléhavější využít jeho potenciál. Od lesních požárů, které devastovaly západ USA a některé části Austrálie, po stále ničivější karibské hurikány a tání antarktického ledového štítu, si desítky miliard tun oxidu uhličitého, které ročně globálně vypouštíme, vybírá svou daň.

Veřejná podpora pro snižování dopadů na změny klimatu nikdy v historii lidstva nebyla vyšší, i když dosud neexistují žádné právní předpisy nebo nejsou zavedena omezení. Tento názor se odráží ve stále přísnějších předpisech, jako je závazek Evropského společenství snížit do roku 2030 emise oxidu uhličitého přibližně o 40% a dosáhnout uhlíkové neutrality do roku 2050. K úspěšnému splnění těchto cílů však musí vodík a další alternativní zdroje energie přejít z oblasti jejich testování do hlavního proudu. Mezi vědeckými a ekonomickými komunitami panuje shoda, že vodík nás může přesunout do uhlíkově neutrální budoucnosti, aniž by byla obětována flexibilita, bezpečnost, účinnost a výkon, které jsou nutné k tomu, aby sloužily spotřebitelům energie v domácnostech a průmyslu.

Vodík versus zemní plyn

Stojí za to začít s některými základními informacemi o vodíku a zejména provést jeho srovnání se zemním plynem. Na základě objemu se výhřevnost vodíku pohybuje přibližně na jedné třetině hodnoty zemního plynu a při spalování produkuje čistou vodní páru. Ale na rozdíl od ropy a plynu není vodík sám o sobě palivem; jedná se o způsob skladování a přepravy energie, který je zvláště důležitý pro zdroje obnovitelné energie.

Vodík, který se skládá z jednoho protonu a jednoho elektronu, je bezbarvý, bez zápachu, bez chuti, netoxický a nejedovatý. Je osmkrát lehčí než zemní plyn a hoří osmkrát rychleji, což vede ke zkrácení délky plamene. Na rozdíl od zemního plynu a mnoha dalších uhlíkových paliv se vodík při snižování tlaků zahřívá. Jiskrová energie potřebná k jeho zapálení je 15krát nižší než u zemního plynu.

Vodík má ve srovnání se zemním plynem široký rozsah hořlavosti. Zatímco hořlavost zemního plynu se pohybuje mezi 4 a 16 obj.% plynu ve směsi plynu a vzduchu, hořlavost vodíku je někde mezi 4 a 77 obj.% vodíku v ekvivalentní směsi.

Vodík je významným příslibem přenosu čisté energie, ale vzhledem k jeho hořlavosti s ním musí být zacházeno velmi odlišně než u jiných paliv.

Řešení průmyslových emisí

Vodík nabízí největší transformační dopad na průmyslová odvětví, protože přibližně dvě třetiny celosvětových emisí oxidu uhličitého nesouvisejících se zemědělstvím vznikají spalováním fosilních paliv v dopravě a elektrárnách. Dalších 25% vyzařují tepelné spotřebiče napříč různými aplikacemi ve zpracovatelském průmyslu a komerčním vytápění. Ve většině z těchto tepelných zařízení je spalován zemní plyn (téměř 90%) a pouze v malé části je spalována nafta.

Vodík v rámci těchto aplikací v sobě ukrývá potenciál snížit nebo dokonce eliminovat emise uhlíku. Například pouhá změna paliva ze zemního plynu na vodík u hořáku s nízkou výhřevností s výkonem přibližně 7,5 MW/h, který je nepřetržitě v chodu 24 hodin denně, představuje ušetření impozantních 33 tun emisí oxidu uhličitého za jeden den.

Energetické společnosti poháněné vládní legislativou a veřejným míněním postupně migrují z elektráren na fosilní paliva na obnovitelné formy energie, jako je větrná a sluneční energie. Nepředvídatelné výkyvy těchto obnovitelných zdrojů energie však způsobují rostoucí obavy z toho, jak dlouhodobě sladit výrobu energie s poptávkou po energii. Zelený zdroj vodíku však pro tyto situace nabízí významnou hodnotu ve formě energetického zásobníku či nosiče.

Ve většině průmyslových odvětví není dosud možné přejít přímo na vodík, a proto jsou podnikány první kroky ve smyslu směšování vodíku se zemním plynem stejným způsobem, jakým se v některých odvětvích mísí ethanol s benzínem. Společně tato dvě paliva produkují méně oxidu uhličitého, přičemž úroveň je dána množstvím přidaného vodíku. Například pokud by směs 20% vodíku a 80% zemního plynu byla nepřetržitě spalována hořákem o výkonu cca 3200 kW/hod, došlo by ke snížení asi jedné tuny oxidu uhličitého za den, což odpovídá poklesu o téměř 350 tun oxidu uhličitého ročně (viz obrázek 1).

Překonávání překážek, které brání širšímu používání

Až do současné doby je širší používání vodíku zdržováno řadou faktorů, včetně nedostatečné infrastruktury, omezených výrobních schopností, vysokých nákladů a jedinečných vlastností, díky nimž je manipulace s tímto prvkem obtížná. Jazýčky vah se pomalu, ale jistě naklánějí směrem k budoucnosti poháněné vodíkem.

Zásadní výzvou bylo a stále je, jak bezpečně přepravovat a skladovat vodík. Zatímco v minulosti byla vhodná infrastruktura pro tyto účely dosti omezena, v současné době probíhá budování nových přenosových sítí a skladovacích zařízení, které vyhovují přísným požadavkům na manipulaci s vodíkem (viz obrázek 2). Energetické společnosti si uvědomují, že jejich rozvody zemního plynu lze za přijatelnou cenu upravit tak, aby vyhovovaly standardům pro vodík. Například Evropa má obrovskou plynovou síť, kterou lze relativně rychle přestavit na přenos vodíku s tím, že probíhají samostatné iniciativy na vytvoření energetických sítí vyhrazených na 100% vodík.

PLE2011 MAG INSIGHTS Honeywell Hydrogen Fig 2Obrázek 2: Skladovací zařízení a přenosové sítě jsou budovány tak, aby byly schopny pojmout vodík. Obrázek byl publikován se svolením společnosti Honeywell Thermal Solutions

Mezitím náklady na výrobu a manipulaci s vodíkem klesají a očekává se, že tento trend bude pokračovat i v příštím desetiletí. Ve skutečnosti letos Rada pro vodík uvedla, že vodík se do konce roku 2030 stane konkurenceschopným ve 22 průmyslových aplikacích vůči jiným nízkouhlíkovým alternativám, a dokonce i vůči některým konvenčním zdrojům energie.

Další výzvou pro širší aplikaci vodíku v praxi představoval nedostatek zařízení a příslušenství, které by bylo možné využívat pro následnou výrobu zboží. Společnosti, jako je Honeywell Thermal Solutions, však rychle rozšiřují své portfolio výroby o hořáky, ventily, ovládací prvky spalování a další speciální zařízení, která jsou přímo určená pro vodík.

Poslední výzvou, která stojí za zmínku v souvislostí s širším využíváním vodíku, je to, že emise oxidů dusíku NOX produkované spalováním vodíku jsou vyšší než u zemního plynu kvůli vyšší rychlosti plamene a vyšším teplotám plamene ve spojitosti s vodíkem. Typicky se emise NOX stabilně zvyšují s tím, jak se zvyšuje množství vodíku ve směsi se zemním plynem až na přibližně 60% vodíku. Dopad na problematiku v souvislosti s NOX může být u směsí obsahující více než 60% vodíku docela dramatický, v závislosti na konstrukci hořáku. Předpisy ohledně emisí NOX jsou stále přísnější a obecně rozšířenější. Sbližování předpisů ohledně emisí oxidu uhličitého a oxidů dusíku bude pravděpodobně vyžadovat vývoj nových spalovacích technologií, pokud vyšší koncentrace vodíku ve spalovacích směsích dosáhnou v praxi širšího přijetí.

Zacházení s mimořádnou opatrností

Kromě technických překážek při výrobě vodíku a s tím spojených vysokých nákladů se způsob, jakým by se s ním mělo zacházet a zpracovávat, liší od ostatních paliv. Kvůli jeho zvláštním vlastnostem je nutné učinit celou řadu opatření k jeho bezpečnému využití.

Zaprvé musí být systémy spalování vodíku navrženy odlišně od svých protějšků na zemní plyn kvůli vysoké hořlavosti paliva. Ve fázi návrhu a provedení musí projít rozsáhlým hodnocením rizik, aby byly splněny bezpečnostní požadavky na aplikaci vodíku a bylo vyhověno místním bezpečnostním předpisům a normám. Kromě toho široký rozsah hořlavosti vodíku, vysoká rychlost plamene a nízká teplota vznícení vyžadují řádná provedení elektroinstalací a striktní dodržování příslušných zásad zapojování, se zvláštním důrazem na funkce čištění, řízení poměru směsi, ochrany teploty a komplexního řízení hořáku.

Navíc znalost toho, že hořák je schopen bezpečně a spolehlivě hořet na vodík, je jedna věc, avšak znát jeho účinek pro danou aplikaci je zase ještě něco jiného. Při spalování hořáku na vodík jsou charakteristiky spalování odlišné ve srovnání se stejným hořákem spalující zemní plyn. Rozdíly v hořlavosti, rychlosti spalovací reakce, svítivosti plamene, délce plamene a změnách ve složení spalin mají vliv na to, jak se produkty ohřívají a jak by měly být konstruovány spalovací komory nebo pece.

Je důležité otestovat hořáky na vodík a ujistit se, že kritické části, jako jsou směšovací desky nebo směšovací kužely a materiál a porty plynových trysek, jsou takové, aby proces spalování vodíku zůstal stabilní a bezpečný, aniž by došlo k přehřátí nebo dokonce zničení částí zařízení.

Todd Ellerton je ředitelem nabídkového oddělení ve společnosti Honeywell Thermal Solutions.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz